Metodologia projektowania i charakteryzacji wydajnych filtrów MEMS o szerokim zakresie

Filtry są bardzo popularne i szeroko stosowane w sekwencji odbiorników i nadajników w komunikacji bezprzewodowej. Ponadto najpopularniejszym zastosowaniem są czujniki gazu, biosensory i czujniki temperatury. Te wysoce wymagające filtry powinny być wytwarzane w procesie CMOS MEMS, aby wspierać zarówno bardziej niezawodną produkcję, jak i konstrukcję sygnału o niskim poziomie szumów, eliminując dodatkowe przewody między dwoma oddzielnymi układami.

CMOS oznacza komplementarny półprzewodnik z tlenku metalu, a MEMS oznacza systemy i czujniki mikroelektromechaniczne. Co więcej, proces końcowy powinien być zaprojektowany w taki sposób, aby uniknąć tarcia podczas procesu produkcyjnego. Dobrze znaną metodą pomiaru rezonansu rezonatorów MEMS jest użycie analizatora sieci, ale nie jest to tak skuteczna metoda jak technika laserowego wibrometru dopplerowskiego z następujących powodów.

Jednym z największych wyzwań związanych z metodą analizatora sieci jest wyeliminowanie pojemności pasożytniczej. Widzę, że narzędzie do projektowania zostało użyte do wysadzenia częstotliwości i odpowiedzi fazowej równoważnego obwodu dla wiązki o długości 120 mikronów. Te dwie waty wartości szczytowej drastycznie spadły z 6 dB do 0,34 dB, nawet gdy pojemność pasożytnicza wzrosła z jednego femtofarada do 20 femtofaradów.

Dlatego wymaga to jednego chipa do zaprojektowania ognia tuż obok maksymalnych rezonatorów. Laserowy wibrometr dopplerowski to kolejna metoda, która wykorzystuje laser do wykrywania wibracji wiązek podczas ich rezonansu. W przeciwieństwie do analizatora sieci, technika laserowego wibrometru dopplerowskiego eliminuje problem pojemności pasożytniczej.

Ponadto może wykrywać rezonans w trybie wyższym, co przynosi wiele korzyści w różnych obszarach badawczych, takich jak zastosowania biowrażliwe, i może charakteryzować znacznie mniejsze rezonatory w przeciwieństwie do analizatora sieci. Umożliwia to szybkie prototypowanie oraz bardziej czułe i dokładne rezonatory, zwłaszcza w zastosowaniach biowrażliwych. Celem tego badania jest dostarczenie wytycznych do zademonstrowania po zaprojektowaniu, zmierzenia strojenia częstotliwości, dostrojenia możliwości strojenia, uniknięcia podwójnej statycznej wiązki stałej-stałej za pomocą laserowego wibrometru dopplerowskiego.

Proces rozpoczyna się od znalezienia optymalnej struktury. Wybierz, stała wiązka na drugim strojeniu szerokozakresowym, ponieważ stała wiązka stała w porównaniu z innymi kandydatami umożliwia strojenie w szerokim zakresie, gdy jest podgrzewana, ze względu na duży współczynnik temperaturowy częstotliwości i indywidualną stałą rozszerzalności cieplnej. Zaprojektuj dłuższą wiązkę, jeśli celem jest lepsza wydajność strojenia.

Zaprojektuj krótszą wiązkę, jeśli celem jest przeskakiwanie częstotliwości lub śledzenie sygnału. Zaprojektuj i stwórz model 3D podajnika MEMS w programie opartym na elementach skończonych. Zrekonstruuj ten sam układ w narzędziu do projektowania układów scalonych warstwa po warstwie, aby utworzyć plik GDS.

Prześlij ten plik GDS do odlewni CMOS w celu wyprodukowania. Tutaj używamy technologii CMOS 0,6 mikrona. Po zakończeniu procesu CMOS chipy powinny być wyposażone w warstwy polikrzemu, aluminium i tlenku.

Kolejnym krokiem jest przeprowadzenie kroków post-processingowych. Przeprowadź proces wytrawiania na sucho CHF302 za pomocą systemu ICPH, który jest dwutlenkiem krzemu między warstwami aluminium w celu utworzenia wiązek o proporcjach 5,7. W tym procesie użyj następujących parametrów.

CHF3 przy 40sccm, tlen przy 5sccm, ciśnienie przy 0,5 paskala, moc ICP przy 500 watach, moc próbki przy 100 watach przy całkowitym czasie trawienia 56 minut. Zastosuj proces wytrawiania fluorkiem ksenonu w podłożu krzemowym, aby utworzyć wnękę o głębokości dziewięciu mikrometrów pod belkami. Do tego procesu należy użyć systemu wytrawiania fluorkiem ksenonu przez trzy cykle po trzech torach przez 60 sekund na cykl.

Scharakteryzuj urządzenia w ECM, aby upewnić się, że są prawidłowo wykonane. Na tym etapie zmień napięcie przyspieszające wiązkę na 2,58 kilowolta, a odległość roboczą na 9,5 milimetra. Testowanie urządzenia składa się z wielu etapów, w tym testu ogrzewania dżuli i testu odpowiedzi częstotliwościowej.

Zlokalizuj kamerę termowizyjną na chipie i przetestuj grzejniki otoczenia, aby upewnić się, że ogrzewają belki. Podłącz zasilacz do pakietu chipów, aby przyłożyć napięcie DC do wbudowanych grzejników w zakresie od 0 V do 5,7 V z małymi przyrostami w celu zwiększenia temperatury w wiązkach. Rejestruj profil temperatury w całym pakiecie chipów za pomocą kamery termowizyjnej podczas procesu ogrzewania i zapisz wyniki w numerycznym programie uzupełniającym i wykreśl profil grzewczy

Umieść laser na górze wiązek o długości 120 mikrometrów. Podłącz zasilacz między dwiema wiązkami o długości 120 mikronów, aby przyłożyć około siedmiu napięć prądu stałego i trzech prądów przemiennych do operacji rezonansowej. Podłącz dodatkowe napięcie polaryzacji prądu stałego do wbudowanych grzejników o maksymalnym napięciu 5.7 V, aby zastosować ogrzewanie Joule'a do wiązek podczas operacji rezonansowej.

Przesuń laser w inne miejsce na wiązce, aby uzyskać długie, mniejsze odchylenie lasera. Pamiętaj, aby zwiększyć intensywność niebieskiego paska, aby zmniejszyć hałas. Podziel ekran na wiele widoków, aby skalibrować i rozpocząć konfigurację pomiaru.

Przejdź do ustawień pobierania. Ustaw tryb pomiaru na FFT. Nie używaj żadnego filtra.

I ustaw przepustowość na dwa megaherce. Zmień prędkość, która może obsługiwać maksymalną częstotliwość 2,5 megaherca. Używaj okresowego przebiegu chipa.

Tutaj amplituda oznacza napięcie prądu przemiennego, a przesunięcie oznacza napięcie stałe. Rozpocznij ciągły pomiar z tą nową konfiguracją. Zaktualizuj ustawienia akwizycji, zmieniając napięcie DC na jeden wolt.

Gdy Ref1 pokazuje czerwony alarm, oznacza to, że sygnał jest głośny. Zmniejsz zastosowane napięcie polaryzacji w oknie ustawień akwizycji, aby rozwiązać problem. Przesuń laser w inne miejsce na wiązce, aby uzyskać dalszy wzrost stosunku sygnału do szumu.

Czasami możesz znaleźć złe miejsca na belce, które powodują czerwony alarm na pasku wibracyjnym. Po prostu szukaj najlepszego miejsca na belce. Wybierz filtr MEMS o długości 68 mikronów do testowania.

Zastosuj napięcie 25 V DC i napięcie AC 5 V razem między dwiema sąsiednimi wiązkami o długości 68 mikronów. Tutaj napięcie stałe zapewnia pasmo, a napięcie przemienne umożliwia działanie rezonansowe. Podłącz dodatkowe napięcie DC do wbudowanych grzejników znajdujących się w wiązce o długości 68 mikronów i zwiększ napięcie z zera woltów do 5,7 V małymi krokami.

Zapewni to dostrojenie częstotliwości w oparciu o ogrzewanie dżulowe. Obserwuj i rejestruj częstotliwość rezonansową i odpowiedź fazową w odniesieniu do przyłożonego napięcia polaryzacji na każdym kroku i podsumuj wyniki w tabeli. Tutaj całkowite strojenie częstotliwości dla tej próbki wynosi około 874 kiloherców, gdy do wbudowanej grzałki przyłożone jest napięcie prądu stałego 5,7 V.

Naciśnij przycisk A/D, aby przejść do okna ustawień akwizycji pokazanego w sekcji kalibracji LDV i konfiguracji testu i zmienić prędkość, która może obsługiwać bardzo wysokie częstotliwości. Zmierz pierwszy i drugi tryb wraz z ich fazą. Zastosuj sygnał fali prostokątnej o częstotliwości jednego herca, aby rozwiązać problem tarcia wynikający z ładowania prędkością z dwóch sąsiednich wiązek.

Przejdź do zakładki generatora i wybierz kształt fali prostokątnej z menu rozwijanego przebiegu. Przejdź do skrzynki offsetowej i ustaw napięcie DC na jeden wolt. Przejdź do pola częstotliwości i ustaw częstotliwość na jeden herc.

Aktywuj i zastosuj te nowe ustawienia na belkach. Zwróć uwagę na separację belek. Do próby naprężeń termicznych należy użyć dodatkowej próbki.

Zwiększ przyłożone napięcie polaryzacji na wbudowanej grzałce z niewielkim przyrostem, aby znaleźć maksymalne dopuszczalne napięcie przed awarią urządzenia z powodu dużego naprężenia termicznego. Zastosuj napięcie 25 V DC i napięcie AC 5 V razem między dwiema sąsiednimi wiązkami o długości 68 mikronów, zwiększając jednocześnie napięcie polaryzacji przyłożone do wbudowanej grzałki z 0 V do 5,7 V, aby uzyskać całkowite przesunięcie częstotliwości o 661 kiloherców. Zwiększ przyłożone napięcie polaryzacji z 25 V do 35 V, aby dodać dodatkowy efekt zmiękczenia między dwiema sąsiednimi wiązkami o długości 68 mikronów, jednocześnie stosując napięcie prądu przemiennego o napięciu jednego V i utrzymując tę samą konfigurację napięcia polaryzacji na wbudowanych grzejnikach.

Odnotuj 32% poprawę całkowitego przesunięcia częstotliwości, ponieważ powinno ono wzrosnąć z 661 kiloherców do 875 kiloherców, co wynika z tego dodatkowego efektu zmiękczenia. Strojenie częstotliwości w szerokim zakresie z zastosowaniem przyłożonego napięcia polaryzacji do wbudowanych grzałek jest osiągane i weryfikowane za pomocą laserowego wibrometru dopplerowskiego. Pomiar rezonansu o wyższym napięciu jest bardzo ważny dla rezonatorów, ponieważ oferuje obiecujące wyniki dla wysoce czułych i dokładnych bioczujników.

Laserowy wibrometr dopplerowski umożliwia pomiar wysokiego napięcia, który jest prawie niemożliwy do odczytania za pomocą analizatora sieci. Piąty tryb mierzono za pomocą laserowego wibrometru dopplerowskiego, mierząc wiele punktów na każdej wiązce. Zmierzony kształt trybu wpływania na dopasowania do wyników programu opartego na analizie elementów skończonych pokazany w prawym rogu.

Ten film uczy, jak projektować, wytwarzać i charakteryzować długofalowe, przestrajalne filtry CMOS MEMS o szerokim zakresie. Szeroki zakres przestrajalnych filtrów MEMS jest bardzo wymagający, szczególnie w zastosowaniach związanych ze śledzeniem sygnału i przeskakiwaniem częstotliwości. Dlatego po zwiększeniu zakresu strojenia przy jednoczesnym uniknięciu awarii jest on skutecznie demonstrowany, łatwy w aplikacji i powtarzalny.

Metody unikania typowych problemów, takich jak spalanie i tarcie, są z powodzeniem demonstrowane ze względu na niezawodność i niskie koszty produkcji. W celu scharakteryzowania z powodzeniem wykazano wyższość laserowego wibrometru dopplerowskiego lub analizatora sieci. aby nie tylko umożliwić malowanie pasków w piątym trybie, ale także umożliwić najnowocześniejszą technologię przenośnych biosensorów i wczesnej diagnostyki, takiej jak HIV.